Fractional derivatives: probability interpretation and frequency response of rational approximations

The theory of fractional calculus (FC) is a useful mathematical tool in many applied sciences. Nevertheless, only in the last decades researchers were motivated for the adoption of the FC concepts. There are several reasons for this state of affairs, namely the co-existence of different definitions and interpretations, and the necessity of approximation methods for the real time calculation of fractional derivatives (FDs). In a first part, this paper introduces a probabilistic interpretation of the fractional derivative based on the Grünwald-Letnikov definition. In a second part, the calculation of fractional derivatives through Padé fraction approximations is analyzed. It is observed that the probabilistic interpretation and the frequency response of fraction approximations of FDs reveal a clear correlation between both concepts.

Estruturas de suporte de terras executadas com pneus

O aproveitamento de pneus em fim de vida revela ser uma alternativa eficaz e promissora na indústria da construção civil, na utilização deste resíduo em muros de suporte. O presente trabalho tem como principal objetivo a apresentação de uma técnica de aproveitamento de pneus em fim de vida na execução de muros de gravidade, combinando solo e pneus. Neste sentido, tomou-se como referência um estudo realizado no Brasil por Sieira, Sayão, Medeiros e Gerscovich, para avaliar a eficiência e o custo deste tipo de estruturas, comparando-o com um muro de suporte tradicional de betão simples. Inicialmente, avaliou-se a segurança do muro de solo-pneus, de acordo com a metodologia proposta no Eurocódigo 7 (NP EN 1997-1, 2010), considerando a geometria e as características dos materiais apresentados no estudo referido e usando o programa de cálculo automático Slide, da Rocscience, para a verificação da estabilidade global. Reproduziu-se a análise numérica realizada no âmbito do caso de estudo brasileiro de referência, recorrendo também a uma formulação por elementos finitos com o programa de cálculo automático Phase2, da Rocscience. Por último, utilizando uma vez mais o programa Slide, definiu-se a geometria de um muro de betão simples cuja geometria garantisse o mesmo valor do fator de segurança à estabilidade global, obtido com o muro de solo-pneus e compararam-se os custos respetivos. O presente trabalho confirmou a eficiência e o baixo custo desta solução construtiva, sendo necessários, no entanto, estudos mais detalhados que reforcem estas conclusões.

Planeamento da construção repetitiva e não repetitiva – Caso de estudo comparativo

O planeamento da construção tem sido considerado como uma mera burocracia e utilizado essencialmente como uma orientação temporal do desenvolvimento da obra, que se reflete, frequentes vezes, na utilização inadequada das técnicas de planeamento. Com esta dissertação pretende-se oferecer uma nova perspectiva sobre as técnicas e softwares de planeamento e a sua melhor utilização. Contudo, focalizando-se mais nos métodos CPM e LOB, efetua-se o seu planeamento nos softwares Microsoft Project e CCS- Candy respetivamente. Inicia-se este trabalho com uma breve descrição acerca do estado da arte das metodologias e softwares de planeamento da construção. Seguidamente efetua-se a demonstração do planeamento de dois casos de estudo, sendo o primeiro caso de estudo referente ao planeamento da construção de uma ponte com recurso ao Microsoft Project. Realiza-se o cálculo dos rendimentos, dimensionamentos das equipas de trabalho e análise dos diagramas de planeamento fornecido pelo Microsoft Project. No segundo caso de estudo, demonstra-se o planeamento da estrutura de dois edifícios no software CCS - Candy. Efetua-se igualmente o cálculo dos rendimentos, dimensionamento das equipas de trabalho e análise, essencialmente, do Gráfico Espaço/Tempo (LOB). Após a realização do planeamento dos dois casos de estudo, realiza-se uma pequena comparação das duas metodologias, CPM e LOB, referenciando as vantagens e desvantagens da sua utilização no planeamento de obras, seguido de uma breve conclusão. Termina-se esta dissertação com a apresentação das conclusões gerais e das propostas para trabalhos futuros.

Reforço de estruturas de betão armado com CFRP

Ao longo dos anos as estruturas existentes têm sido adaptadas para novas utilizações. No entanto, devido aos condicionalismos arquitetónicos e patrimoniais, a demolição e substituição por estruturas novas, pode-se tornar pouco viável, sendo cada vez mais exequível a opção de reforçar. A presente dissertação refere-se a uma dessas opções de reforço nomeadamente ao reforço de estruturas em betão armado com CFRP (Compósitos Reforçados com Fibras de Carbono), nomeadamente lajes e vigas. Os objetivos principais deste trabalho consistem em desenvolver uma proposta de critérios de dimensionamento de estruturas de betão armado reforçadas com CFRP tendo por base o disposto no Eurocódigo 2 comparando -a com o relatório técnico publicado “bulletin 14 - Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”, da Fédération Internationale du Béton. Recorrendo à revisão bibliográfica, onde estão referidos temas como as características dos materiais de um sistema FRP, as suas técnicas de reforço e com uma exposição do comportamento das vigas reforçadas à flexão, particularmente no seu comportamento mecânico e modos de ruína associados a este tipo de reforço. Apresentam-se duas metodologias de cálculo para dimensionamento deste tipo de reforço para os diferentes estados limites, e aplicam-se a cada uma das metodologias de cálculo a uma viga com necessidade de reforço à flexão e ao corte, devido a um aumento de esforços provocado pelo aumento da sobrecarga. Desenvolve-se um estudo experimental onde se pretende avaliar a eficácia de um sistema de reforço à flexão com compósitos de CFRP colado externamente a uma viga e com diferentes taxas de reforço.

Análise de fadiga de uma ponte ferroviária com tabuleiro misto vigado sob ação de tráfego de mercadorias

A presente dissertação centra-se no estudo de fadiga de uma ponte ferroviária com tabuleiro misto vigado pertencente a uma via de transporte de mercadorias. O caso de estudo incide sobre a ponte ferroviária sobre o rio do Sonho, localizada na Estrada de Ferro de Carajás situada no nordeste do Brasil. Nesta linha circulam alguns dos maiores comboios de mercadoria do mundo com cerca de 3.7 km de extensão e com cargas por eixo superiores a 300 kN. Numa primeira fase apresentam-se diversas metodologias de análise da fadiga em pontes ferroviárias metálicas. É também descrita a ferramenta computacional FADBridge, desenvolvida em ambiente MATLAB, e que possibilita o cálculo sistematizado e eficiente do dano de fadiga em detalhes construtivos de acordo com as indicações dos eurocódigos. Em seguida são abordadas as metodologias numéricas utilizadas para a realização das análises dinâmicas do sistema ponte-comboio e os aspetos regulamentares a ter em consideração no dimensionamento de pontes ferroviárias. O modelo numérico de elementos finitos da ponte foi realizado com recurso ao programa ANSYS. Com base neste modelo foram obtidos os parâmetros modais, nomeadamente as frequências naturais e os modos de vibração, tendo sido também analisada a importância do efeito compósito via-tabuleiro e a influência do comportamento não linear do balastro. O estudo do comportamento dinâmico da ponte foi realizado por intermédio de uma metodologia de cargas móveis através da ferramenta computacional Train-Bridge Interaction (TBI). As análises dinâmicas foram efetuadas para a passagem dos comboios reais de mercadorias e de passageiros e para os comboios de fadiga regulamentares. Nestas análises foi estudada a influência dos modos de vibração globais e locais, das configurações de carga dos comboios e do aumento da velocidade de circulação, na resposta dinâmica da ponte. Por último, foi avaliado o comportamento à fadiga de diversos detalhes construtivos para os cenários de tráfego regulamentar e reais. Foi ainda analisada a influência do aumento da velocidade, da configuração de cargas dos comboios e da degradação da estrutura nos valores do dano por fadiga e da respetiva vida residual.

Ferramenta de cálculo de engrenagens - ENGRECALC

As engrenagens com dentes em evolvente de círculo têm sido e continuarão a ser um dos órgãos de máquinas mais utilizados em Engenharia Mecânica. O seu elevado uso e a sua versatilidade têm promovido o seu desenvolvimento permitido avanços no que diz respeito à sua eficiência, durabilidade, capacidade de carga e fiabilidade. Porém, para além da relativa facilidade de se poder encontrar literatura relativamente às engrenagens, o seu cálculo é complexo. São necessários conhecimentos da geometria de rodas dentadas e dos materiais envolvidos no seu fabrico. Este trabalho tem por objectivo o estudo de engrenagens de dentado recto com o desenvolvimento de uma ferramenta com base no software MatLab®. Esta ferramenta permitirá ao utilizador estudar a influência de condições de funcionamento e parâmetros da engrenagem na resistência à fadiga superficial e de flexão.

Development of procedures for the simulation of atmospheric flows over complex terrain, using OpenFOAM

The main purpose of this work was the development of procedures for the simulation of atmospheric ows over complex terrain, using OpenFOAM. For this aim, tools and procedures were developed apart from this code for the preprocessing and data extraction, which were thereafter applied in the simulation of a real case. For the generation of the computational domain, a systematic method able to translate the terrain elevation model to a native OpenFOAM format (blockMeshDict) was developed. The outcome was a structured mesh, in which the user has the ability to de ne the number of control volumes and its dimensions. With this procedure, the di culties of case set up and the high computation computational e ort reported in literature associated to the use of snappyHexMesh, the OpenFOAM resource explored until then for the accomplishment of this task, were considered to be overwhelmed. Developed procedures for the generation of boundary conditions allowed for the automatic creation of idealized inlet vertical pro les, de nition of wall functions boundary conditions and the calculation of internal eld rst guesses for the iterative solution process, having as input experimental data supplied by the user. The applicability of the generated boundary conditions was limited to the simulation of turbulent, steady-state, incompressible and neutrally strati ed atmospheric ows, always recurring to RaNS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) models. For the modelling of terrain roughness, the developed procedure allowed to the user the de nition of idealized conditions, like an uniform aerodynamic roughness length or making its value variable as a function of topography characteristic values, or the using of real site data, and it was complemented by the development of techniques for the visual inspection of generated roughness maps. The absence and the non inclusion of a forest canopy model limited the applicability of this procedure to low aerodynamic roughness lengths. The developed tools and procedures were then applied in the simulation of a neutrally strati ed atmospheric ow over the Askervein hill. In the performed simulations was evaluated the solution sensibility to di erent convection schemes, mesh dimensions, ground roughness and formulations of the k - ε and k - ω models. When compared to experimental data, calculated values showed a good agreement of speed-up in hill top and lee side, with a relative error of less than 10% at a height of 10 m above ground level. Turbulent kinetic energy was considered to be well simulated in the hill windward and hill top, and grossly predicted in the lee side, where a zone of ow separation was also identi ed. Despite the need of more work to evaluate the importance of the downstream recirculation zone in the quality of gathered results, the agreement between the calculated and experimental values and the OpenFOAM sensibility to the tested parameters were considered to be generally in line with the simulations presented in the reviewed bibliographic sources.

Experimental and numerical study on the evaluation of ventilation efficiency

Buildings account for 40% of total energy consumption in the European Union. The reduction of energy consumption in the buildings sector constitute an important measure needed to reduce the Union's energy dependency and greenhouse gas emissions. The Portuguese legislation incorporate this principles in order to regulate the energy performance of buildings. This energy performance should be accompanied by good conditions for the occupants of the buildings. According to EN 15251 (2007) the four factors that affect the occupant comfort in the buildings are: Indoor Air Quality (IAQ), thermal comfort, acoustics and lighting. Ventilation directly affects all except the lighting, so it is crucial to understand the performance of it. The ventilation efficiency concept therefore earn significance, because it is an attempt to quantify a parameter that can easily distinguish the different options for air diffusion in the spaces. The two indicators most internationally accepted are the Air Change Efficiency (ACE) and the Contaminant Removal Effectiveness (CRE). Nowadays with the developed of the Computational Fluid Dynamics (CFD) the behaviour of ventilation can be more easily predicted. Thirteen strategies of air diffusion were measured in a test chamber through the application of the tracer gas method, with the objective to validate the calculation by the MicroFlo module of the IES-VE software for this two indicators. The main conclusions from this work were: that the values of the numerical simulations are in agreement with experimental measurements; the value of the CRE is more dependent of the position of the contamination source, that the strategy used for the air diffusion; the ACE indicator is more appropriate for quantifying the quality of the air diffusion; the solutions to be adopted, to maximize the ventilation efficiency should be, the schemes that operate with low speeds of supply air and small differences between supply air temperature and the room temperature.

Análise estocástica com recurso a ferramentas informáticas no planeamento de empreitadas de construção

O presente trabalho, desenvolvido sob a orientação do Prof. Jaime Gabriel Silva, centra-se na procura e aplicação de metodologias de planeamento com apoio de ferramentas informáticas de análise de risco, que permitem realizar, em tempo útil, o cálculo dos prazos resultantes de inúmeras combinações possíveis associadas à incerteza das durações das atividades, recorrendo a modelos estocásticos. O trabalho aborda inicialmente o contexto da Gestão na Construção, com particular enfase na Gestão do Risco. Nessa fase inicial, fez-se também um pequeno inquérito a profissionais com diferentes níveis de responsabilidade organizacional e empresas do setor. A parte fundamental do trabalho, incide nos procedimentos a adotar na elaboração do planeamento de empreitadas. Nesta parte do trabalho, introduzem-se os conceitos da análise de risco com recurso a uma ferramenta informática de apoio, o @Risk, que permite a utilização do Método de Monte Carlo, para obtenção de resultados num contexto de uma tomada de decisão baseada no risco. Refira-se que houve vários contactos com o fornecedor do programa, que permitiram tirar partido de outro programa da Palisade, Evolver, direcionado para otimização matemática, podendo ser utilizado, por exemplo, na perspetiva da minimização dos custos, o que pode interessar pela relação destes com as opções adotadas na elaboração do planeamento de empreendimentos. Finalmente, toma-se um exemplo real do planeamento de uma empreitada em execução à data da realização deste trabalho, onde se aplicaram os conceitos desenvolvidos no trabalho, confrontando os resultados com o andamento da obra.